Onderzoekers van de Universiteit Twente en het Radboudumc hebben een schroefvormige microrobot door echt hersenweefsel laten bewegen met behulp van een externe magneet. De experimenten met schapenhersenen vormen een stap richting minimaal invasieve behandelingen van diepgelegen hersenaandoeningen, zoals bloedstolsels, tumoren en vaatafwijkingen.
Een belangrijke innovatie is een model waarmee de onderzoekers kunnen voorspellen wanneer de magnetische aansturing van de robot instabiel wordt. Daarmee kan vooraf worden bepaald hoe snel een robot zich veilig en gecontroleerd door verschillende soorten weefsel kan bewegen.
Via bloedvaten naar de hersenen
Diepgelegen afwijkingen in de hersenen zijn vaak moeilijk te bereiken zonder een invasieve operatie. De onderzoekers werken daarom aan een alternatief waarbij een kleine robot via de bloedbaan naar de gewenste locatie wordt geleid. Daar zou deze door de vaatwand kunnen bewegen en vervolgens het hersenweefsel binnendringen om een letsel rechtstreeks te bereiken.
De robot wordt aangedreven door een magneet buiten het lichaam. Het magnetische veld laat het schroefvormige robotje ronddraaien, waardoor het zich door zacht weefsel naar voren kan bewegen. Daarbij bestaat echter een belangrijke technische beperking: wanneer de externe magneet te snel draait, kan de robot de rotatie niet meer volgen. Dit kantelpunt wordt de step-outfrequentie genoemd. Boven die grens kan de robot wegglippen, stoppen of onvoorspelbaar bewegen. Juist bij toepassingen in de hersenen is nauwkeurige controle essentieel.
Model voorspelt grens voor veilige aansturing
Het onderzoeksteam ontwikkelde een model waarmee deze kritische grens vooraf kan worden berekend. Hiervoor werd de Buckingham Pi-theorie gebruikt, waarmee verschillende natuurkundige variabelen kunnen worden samengebracht in een beperkt aantal dimensieloze parameters. Onder meer de afmetingen van de robot, de magneetsterkte en de stevigheid van het weefsel worden daarbij gecombineerd.
De weerstand van het weefsel blijkt grote invloed te hebben. In zacht materiaal kon de robot de magneet volgen tot ongeveer 30 omwentelingen per seconde. In het stevigste geteste materiaal lag die grens onder één omwenteling per seconde. Volgens eerste auteur Ewout Ligtenberg kan het model na één meting in weefsel met een bekende stevigheid voorspellen hoe hetzelfde robotontwerp zich in andere soorten weefsel zal gedragen. Daardoor zijn minder afzonderlijke experimenten nodig bij het ontwikkelen en optimaliseren van nieuwe robots.
Getest in echt hersenweefsel
De onderzoekers valideerden hun model eerst met vier verschillende robotontwerpen in gelatine en vervolgens in schapenhersenen. Zonder bloedstroom bleef de robot tot circa 1,8 omwentelingen per seconde synchroon met de magneet draaien. Toen bloed door de vaten werd gepompt om de omstandigheden in een levend brein beter na te bootsen, daalde die grens tot minder dan 0,45 omwentelingen per seconde. Door de extra druk nam de weerstand van het weefsel toe.
Het robotje kon zich met ongeveer 0,2 millimeter per seconde in het hersenweefsel boren. Bij het terugtrekken bereikte het 2,9 millimeter per seconde, doordat het via het eerder gemaakte kanaal terug kon bewegen. In een zacht gelmodel van de hersenen werd dezelfde robot met realtime camerabeelden naar specifieke doelen gestuurd. Daarbij werd in sommige experimenten een nauwkeurigheid van minder dan één millimeter bereikt.
Magnetisch aangestuurde microrobots
Het onderzoek werd uitgevoerd binnen het TechMed Centre en MESA+ van de Universiteit Twente, samen met het team van Michiel Warlé van het Radboudumc. De biocompatibele coating van de robots werd ontwikkeld met LipoCoat. Ook internationale onderzoeks- en industriële partners waren betrokken. De resultaten zijn gepubliceerd in Advanced Science. Hoewel de technologie zich nog in de onderzoeksfase bevindt, biedt het ontwikkelde voorspellingsmodel een basis voor verdere ontwikkeling van magnetisch aangestuurde microrobots die uiteindelijk diepgelegen hersenletsels gericht zouden kunnen bereiken zonder open hersenoperatie.
Vorig jaar slaagden onderzoekers van het Surgical Robotics Laboratory van de Universiteit Twente er al in om magnetische microrobots te laten samenwerken. Een doorbraak die nieuwe deuren opende voor veelbelovende biomedische toepassingen. Denk bijvoorbeeld aan operaties op plekken in het lichaam die voor chirurgen onbereikbaar zijn. Een chirugische microrobot kan dan uitkomst bieden.
De afgelopen jaren is meer onderzoek gedaan naar de waarde en ontwikkeling van magnetische aangestuurde microrobots. Zo werken Britse onderzoekers in het Under Millimetre Innovation (RUMI) Lab aan een magnetisch systeem waarmee minuscule microrobots nauwkeurig door het menselijk lichaam kunnen worden gestuurd. Met deze technologie zou het in de toekomst mogelijk zijn om medicijnen met behulp van microrobots direct naar moeilijk bereikbare tumoren te transporteren. Hierdoor kan de effectiviteit van behandelingen toenemen, terwijl bijwerkingen van bijvoorbeeld chemotherapie worden beperkt.
Referenties
Advanced Science (onderzoek)
